四旋翼稳定控制算法及其一致性编队控制的研究

发布时间：2017-04-11 17:15

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【摘要】：近年来，对无人机，尤其是四旋翼无人机的研究开始受到人们的重视。由于其低廉的造价以及灵活的操作性，使得四旋翼无人机在军事及民事领域的应用更加广泛。 本文根据对四旋翼无人机飞行原理及其动力特点的分析，利用牛顿——欧拉方程建立了四旋翼无人机的动力学方程组，提出了四旋翼无人机的数学模型。与传统的基于姿态和位置回路的分离控制不同，本文依据四旋翼动力学系统特性，把系统分为全驱动子系统和欠驱动子系统。依据两个子系统的不同特点，分别提出了两种不同的控制器设计方案。 首先，对全驱动子系统的动力学特点进行分析，为竖直方向以及偏航角的控制，设计了一种终端滑模控制器。通过理论证明、搭建仿真模型以及进行仿真实验进一步说明了控制方案的有效性。 其次，对欠驱动子系统的动力学特点进行分析，为水平方向以及滚转角、俯仰角的控制，设计了一种基于干扰观测的滑模控制器。通过数学证明以及相关仿真实验说明了控制方案的有效性及控制器对干扰的抑制作用。 然后，把两种控制方案统一到整体四旋翼无人机系统控制中，通过调节相关参数，把两种方案联合成统一的控制器，，对整个系统进行控制。最终的控制方案不仅有效实现了对系统预设轨迹的跟踪，而且有效的抑制了干扰，保证了四旋翼无人机的稳定飞行。 最后，针对简化后的四旋翼控制系统模型，考虑在固定通信拓扑中的多四旋翼一致性编队的控制问题。根据简化后四旋翼系统的特点，分成四个子系统进行分别控制，设计了一种一致性的编队控制协议，通过理论证明以及仿真实验说明了设计的控制方案是有效的，可以使多四旋翼系统达到预定的编队目标。
【关键词】：四旋翼 滑模控制 欠驱动系统 一致性 编队控制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 研究背景与意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.3 本文主要研究内容以及章节安排17-20
• 第2章 预备知识20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 四旋翼系统工作原理20-21
• 2.3 四旋翼系统建模21-27
• 2.3.1 选取坐标系21
• 2.3.2 坐标的转换21-23
• 2.3.3 四旋翼控制模型23-26
• 2.3.4 模型分析与控制策略选择26-27
• 2.4 滑模控制算法27-28
• 2.5 李雅普诺夫稳定性理论28-29
• 2.6 代数图论及矩阵理论相关知识29-30
• 2.7 本章小结30-32
• 第3章 四旋翼全驱动子系统的控制32-40
• 3.1 引言32
• 3.2 终端滑模控制32-34
• 3.3 基于终端滑模的控制算法实现34-35
• 3.4 仿真结果与分析35-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第4章 四旋翼欠驱动子系统的控制40-50
• 4.1 引言40
• 4.2 欠驱动的滑模控制40-43
• 4.3 基于干扰观测滑模的控制算法实现43-45
• 4.4 仿真结果与分析45-49
• 4.5 本章小结49-50
• 第5章 四旋翼总体控制系统50-56
• 5.1 引言50
• 5.2 总体系统控制器设计50-51
• 5.3 总体仿真与分析51-55
• 5.4 本章小结55-56
• 第6章 多四旋翼系统一致性编队控制56-72
• 6.1 引言56-57
• 6.2 控制模型与通信拓扑57-59
• 6.2.1 四旋翼简化模型57-58
• 6.2.2 系统通信拓扑58-59
• 6.3 编队协议设计与分析59-66
• 6.4 仿真与分析66-69
• 6.5 本章小结69-72
• 结论72-74
• 参考文献74-80
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单80-82
• 致谢82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 马晨宇,李伟,陈祖舜,曹琦;基于行为的多自由度机器人运动规划[J];清华大学学报(自然科学版);1997年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 李远;多UAV协同任务资源分配与编队轨迹优化方法研究[D];国防科学技术大学;2011年

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本文编号：299574